In der Studie wird die Optimierung von Einzelgebäuden unter verschiedenen Rahmenbedingungen untersucht. Dafür wurde eine Simulation verschiedener Gebäudetypen in fünf Klimazonen des globalen Südens durchgeführt. Anhand von mehreren energetischen Optimierungsszenarien wurde ein Referenzsystem für die Berechnung des Energiebedarfs und der Treibhausgasemissionen der Gebäude erstellt. Bereits mit wenigen adäquaten passiven Maßnahmen kann eine erhebliche Emissionsminderung der Gebäude erreicht werden. Diese Erkenntnisse unterstützen die Entscheidungsfindung von politischen Entscheidungsträgern in Brasilien und in Partnerländern, um Vorschläge für die Klimafinanzierung aufzuzeigen.
Methode
Die wissenschaftliche Methodik erfolgte anhand von fünf Schritten:
Schritt 1: Definition der Gebäudemodelle
Schritt 2: Simulation der Modelle (5 Gebäudetypen und 5 Klimazonen)
Schritt 3: Definition der Szenarien
Schritt 4: Simulation der Szenarien
Schritt 5: Präsentation der Ergebnisse der Simulation der Optimierungsszenarien
Die fünf Modelle bestehen aus fünf Gebäudetypen (Bungalow, Wohnhaus, Wohnhausanlage, Hotel, Büro) und fünf Klimazonen (Trocken, Savannah, Tropisch, Subtropisch, Mediterran). Als 3D-Architekturmodelle bereitgestellt, wurden die Gebäudetypen anhand der Architektur (Form, Geometrie, Gebäudehülle usw.) und der technischen Gebäudesysteme (Heizungs-, Lüftungs- und Kühlsysteme) in Bezug auf Energieverbrauch und Treibhausgasemissionen in einer thermodynamischen Simulationsumgebung für die fünf definierten Klimazonen simuliert und miteinander verglichen. Dafür wurden die Wetterprofile des EU Wissenschaftshubs genutzt.
Neben einem Basis-Szenario wurden drei weitere Szenarien definiert, die jeweils einen unterschiedlichen Grad an anspruchsvollen, aber realisierbaren Verbesserungsmaßnahmen umfassen. Diese Maßnahmen beziehen sich auf Architektur (Gebäudehülle, Fenster, Sonnenschutz und Oberflächen), technische Gebäudesysteme (Klimaanlagen, Nachtkühlung, kontrollierte Lüftung mit Wärmerückgewinnung) und erneuerbare Energien (Photovoltaik, Wärmepumpe, Warmwasserbereitung Solarthermie). Die Maßnahmen basieren auf der allgemeinen Methodik für effizientes und nachhaltiges Gebäudedesign. Deren Ziele sind die Reduktion des Energiebedarfs sowie die Integration von energieeffizienten und erneuerbaren Systemen.
Im letzten Schritt wurde die Simulation der Modelle in der thermodynamischen Simulationsumgebung basierend auf Gebäudetyp, Klimazone und Szenario und zwei verschiedenen Wetterdatensätzen (2020 und 2050) durchgeführt. Die Ergebnisse aus den daraus resultierenden 200 verschiedenen Modellen (5 Gebäudetypen x 5 Klimazonen x Basislinie und 3 Szenarien) wurden geclustert und der Kälte- und Wärmbedarf, der elektrische Energiebedarf sowie der CO2-Bedarf erfasst.
Resultate
Die Studie liefert eine fundierte Entscheidungsgrundlage für adäquate passive (architektonische) und aktive (gebäudetechnische) Maßnahmen in den untersuchten Klimazonen in unterschiedlichen Gebäudetypen. Die Resultate sollen Entscheidungsträger*innen in politischen Prozessen unterstützen, hinsichtlich der Fragen in welche Gebäudetypen, an welchem Ort und in welchem Umfang investiert werden soll.
Der größte Effekt bei den architektonischen Maßnahmen zur Reduzierung des Kühl- und Heizenergiebedarfs werden durch den Einsatz von verbesserten Fenstern erzielt werden, wobei in einem ersten Schritt Low-Performance-Gläser eine gute Wirkung zeigen. Von ähnlicher Bedeutung ist der Einsatz von außenliegendem Sonnenschutz in allen Regionen. Beide Maßnahmen reduzieren die Kühllasten ohne zusätzlich notwendige Energie. In Regionen mit hohem Sonnenstand (alle untersuchten Klimazonen außer der mediterranen) ist ein außenliegender Sonnenschutz oder eine manuell gesteuerte Beschattung ausreichend. In Regionen mit niedrigerem Sonnenstand (Mittelmeerraum) ist ein flexibler, außenliegender Sonnenschutz erforderlich. Für eine erhöhten Komfort wird eine automatisierte Steuerung empfohlen.
Bei den gebäudetechnischen Maßnahmen wird der größte Effekt durch den Einsatz von verbesserten Klimaanlagen (Splitgeräten) in Verbindung mit einer Nachtkühlung erzielt werden. Zum einen reduziert die Nachtkühlung die Kühllast im Gebäude und zum anderen wird durch die Verbesserung der Kühlgeräte die elektrische Energie reduziert. Der Einsatz eines Deckenventilators hat einen unbedeutenden Einfluss auf den thermischen Komfort.
Die Maßnahmen für erneuerbare Energien konzentrieren sich auf die Integration nachhaltiger Energiequellen in das Gebäude, um dessen Strom- und Heizenergiebedarf ganz oder teilweise zu decken. Den größten Effekt hat die solarthermische Brauchwassererwärmung, vor allem in Gebäuden, in denen die Warmwasserbereitung eine wichtige Rolle spielt (Wohngebäude und Hotels). Eine weitere wichtige Maßnahme ist der Einsatz von Photovoltaik in Verbindung mit Wärmepumpen.
Zusammenfassung
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass aus der Perspektive des Gebäudetyps die CO2-Neutralität in Gebäudetypen leichter erreicht werden kann, die überwiegend niedrige interne Lasten aufweisen und bei denen die Fläche, die für die Installation von erneuerbaren Energien (z.B. PV) geeignet ist, im Vergleich zur Geschoßfläche hoch ist. Daher sind der Bungalow und das Stadthaus in allen Klimazonen die am besten geeigneten Gebäude, um CO2-Neutralität zu erreichen.
Aus der Perspektive der Klimazonen lässt sich feststellen, dass es in gemäßigteren und damit weniger extremen Klimazonen einfacher ist, Klimaneutralität zu erreichen als in den heißeren Klimazonen wie dem heiß-trockenen oder tropischen Klima. Folglich sind die Klimazonen, in denen CO2-Neutralität leichter erreicht werden kann, die Mittelmeer- und Savannenregionen.
